Projektowanie i eksploatacja układów hydroforowo-pompowych

Budowa i zasada działania układu hydroforowo-pompowego

Układem hydroforowo-pompowym nazywamy system złożony z: pompy, hydroforu, rurociągów ssawnych i tłocznych, instalacji elektrycznego zasilania, łącznika ciśnieniowego, armatury (regulacyjnej, zabezpieczającej), urządzeń kontrolno-pomiarowych (manometr, wodowskaz) oraz instalacji sprężonego powietrza wraz ze sprężarką, sterownika (rys. 1).

Hydrofor to stalowy (stal węglowa), cylindryczny, zamknięty z góry i z dołu dennicami elipsoidalnymi zbiornik wodno-powietrzny. Stosowany jest w stacjach hydroforowych i stacjach uzdatniania wody w układzie filtr–hydrofor.

Zbiornik hydroforowy zapobiega zbyt częstym załączeniom pompy, magazynuje wodę, utrzymuje i wyrównuje ciśnienie (reguluje) w sieci wodociągowej oraz w przypadku niewłaściwej eksploatacji zapobiega ewentualnym uderzeniom hydraulicznym występującym w sieci wodociągowej lub je łagodzi. W ścianki zbiornika wbudowane są króćce przyłączeniowe: wodowskazu, manometru, łącznika ciśnieniowego.

Zbiornik hydroforowy posadowiony jest na podporach wykonanych z ceowników mocowanych do płaszcza. W płaszczu zbiornika zamontowany jest eliptyczny właz rewizyjny. Wewnątrz zabezpieczony jest farbą epoksydową, a na zewnątrz farbą podkładową lub nawierzchniową (np. poliwinylową lub chlorokauczukową).

Zbiorniki produkowane są do pracy przy ciśnieniu do 0,6 i 1,0 MPa i podlegają Urzędowi Dozoru Technicznego. W układzie hydroforowo-pompowym hydrofor może być podłączony szeregowo do rurociągu tłocznego (przepływowo, rys. 2a) lub z boku do rurociągu tłocznego (bocznikowo, rys. 2b). W hydroforze wydziela się trzy pojemności, które są ograniczone zwierciadłem wody.

Pojemność ograniczona zwierciadłem wody do rzędnej Z1 nazywamy pojemnością martwą Vm, natomiast pojemność ograniczoną zwierciadłem wody od rzędnej Z1 do rzędnej Z2 pojemnością użytkową Vu, a pojemność powyżej zwierciadła wody o rzędnej Z2 pojemnością powietrzną Vp. Pojemność martwa Vm w hydroforze połączonym przepływowo i bocznikowo pełni funkcję zamknięcia wodnego, które uniemożliwia wypuszczenie powietrza z hydroforu do rurociągu tłocznego.

Sprężarka służy do wytwarzania odpowiedniego ciśnienia powietrza w hydroforze i uzupełniania ubytków powietrza, które w czasie eksploatacji rozpuszcza się w wodzie bądź jest wynoszone wraz z wodą, jeżeli nie zostanie zamknięte w hermetycznej elastycznej powłoce, która uniemożliwia kontakt powietrza z wodą.

Woda do układu hydroforowo-pompowego może być pobierana ze studni, zbiorników wyrównawczych wody uzdatnionej lub rurociągu sieci wodociągowej. W związku z tym układ hydroforowo­‑pompowy może być wyposażony w pompy głębinowe lub pompy napowierzchniowe odśrodkowe, które mogą pracować z zasysaniem wody lub z jej napływem.

Układy hydroforowo-pompowe stosuje się w:

• małych systemach wodociągowych do zaopatrywania w wodę pojedynczych budynków, osiedli, wsi lub małych miasteczek,
• końcowych strefach dużych sieci wodociągowych do podwyższania ciśnienia w tych sieciach,
• budownictwie wysokim do lokalnego podwyższania ciśnienia w instalacjach wodociągowych.

Budowę i zasadę działania układu hydroforowo-pompowego pokazano na rys. 1. Gdy zwierciadło wody w hydroforze (6) osiągnie rzędną Z1, to znaczy ciśnienie powietrza panujące w hydroforze nad zwierciadłem wody wynosi p_min, wtedy łącznik ciśnieniowy (9) przekazuje impuls elektryczny do sterownika (10), który załącza pompę (4).

Łącznik ciśnieniowy jest ustawiany na dwie wartości ciśnienia powietrza w hydroforze: maksymalne ciśnienie powietrza p_max (odpowiada rzędnej zwierciadła wody Z2) i minimalne ciśnienie powietrza p_min (odpowiada rzędnej zwierciadła wody Z1). Pompa tłoczy wodę do sieci wodociągowej (17), a nadwyżka wody w stosunku do aktualnego rozbioru tłoczona jest do hydroforu.

Gdy zwierciadło wody w hydroforze osiągnie rzędną Z2, znaczy to, że ciśnienie powietrza panujące w hydroforze nad zwierciadłem wody wynosi p_max. Wtedy łącznik ciśnieniowy (9) przekazuje impuls elektryczny do sterownika (10), który wyłącza pompę (4).

Kiedy pompa nie pracuje, a w sieci wodociągowej występują rozbiory wody, powietrze (o odpowiednim ciśnieniu) znajdujące się nad zwierciadłem wody w hydroforze wypycha ją do sieci wodociągowej do momentu, gdy ciśnienie powietrza w hydroforze osiągnie wartość p_min, przy którym ponownie nastąpi załączenie pompy.

W trakcie pracy układu hydroforowo-pompowego następuje ubytek powietrza, co powoduje zmniejszanie pojemności powietrznej V_p w hydroforze. Obserwację ubytku powietrza z hydroforu umożliwia wodowskaz (14). Do wytwarzania odpowiedniego ciśnienia powietrza w hydroforze oraz do uzupełniania jego ubytków służy sprężarka (13).

Natomiast za pomocą zaworu (7) można upuścić nadmiar powietrza ze zbiornika hydroforowego. Na rurociągu tłoczącym powietrze ze sprężarki do hydroforu musi być zamontowany odolejacz (12), żeby wraz z powietrzem do hydroforu nie dostał się olej, który stosuje się do smarowania tłoków w sprężarce. Na rurociągu tłoczącym wodę i powietrze należy zamontować zawory bezpieczeństwa (5).

Zasady projektowania układu hydroforowo-pompowego

Projektowanie układu hydroforowo-pompowego sprowadza się do doboru odpowiedniej pompy (lub kilku pomp) i zbiornika hydroforowego (lub kilku zbiorników). Układ hydroforowo-pompowy projektuje się na przepływ maksymalny godzinowy Qhmax. 

Na rys. 3 przedstawiono interpretację geometryczną pracy układu hydroforowo-pompowego, na podstawie której możemy wyprowadzić równania na użyteczną wysokość podnoszenia pompy H_U1, H_U2. Do układu hydroforowo-pompowego pompę dobieramy na H_U1 (rys. 3):

(1)

(2)

gdzie:

H_U1, H_U2 – użyteczna wysokość podnoszenia pompy, m,

Z_g1, Z_g2 – rzędna zwierciadła wody w zbiorniku hydroforowym, m,

Z_d1, Z_d2 – rzędna zwierciadła wody w zbiorniku wody uzdatnionej, m,

h_s1, h_s2 – straty hydrauliczne w rurociągu ssawnym, m,

h_t1, h_t2 – straty hydrauliczne w rurociągu tłocznym, m,

wysokość minimalnego ciśnienia w zbiorniku hydroforowym p_min, m,

wysokość maksymalnego ciśnienia w zbiorniku hydroforowym p_max, m.

Zbiornik hydroforowy dobieramy z katalogu producenta pod kątem jego objętości całkowitej, którą oblicza się ze wzorów [4]:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

gdzie:

V_c – całkowita objętość zbiornika hydroforowego, m³,

V_p – powietrzna objętość zbiornika hydroforowego, m³,

V_m – martwa objętość zbiornika hydroforowego, m³,

V_cz – czynna objętość zbiornika hydroforowego, m³,

V_u – użyteczna objętość zbiornika hydroforowego, m³,

Q – średni przepływ wody, m³× s–1,

Q₁ – wydajność pompy przy p_min, m³×s–1,

Q₂ – wydajność pompy przy p_max, m³× s–1,

T_min – minimalny czas trwania cyklu pracy pompy, s,

minimalna wysokość ciśnienia w zbiorniku hydroforowym, m,

maksymalna wysokość ciśnienia w zbiorniku hydroforowym, m,

wysokość ciśnienia barometrycznego (atmosferycznego), m.

Średni przepływ Q określa się na podstawie wzoru (6), gdzie Q₁ i Q₂ odczytujemy z wykresu (rys. 4), na który nanosimy charakterystyki pomp P oraz charakterystyki strat hydraulicznych w rurociągach h_s1, h_s2, h_t1, h_t2 i wyznaczamy punkty robocze R_U1 i R_U2 projektowanego układu hydroforowo­‑pompowego. Minimalny czas trwania cyklu pracy pompy Tmin należy rozumieć jako czas trwania najkrótszego cyklu pracy pompy (od chwili włączenia do chwili następnego włączenia) i zaleca się, by nie był on krótszy niż 10 min. Zaleca się również, żeby różnica ciśnień  w zbiorniku hydroforowym nie była większa niż 15 m H₂O.

Zasady eksploatacji układu hydroforowo-pompowego

Żeby hydrofor podczas eksploatacji pracował bezawaryjnie i spełniał wymagania dozoru technicznego, obsługa powinna dokonywać przeglądu:

• korpusu zbiornika,
• urządzeń kontrolno-pomiarowych i zabezpieczeń (manometrów, wodowskazów, zaworów bezpieczeństwa),
• armatury umieszczonej na rurociągach doprowadzających i odprowadzających wodę (zaworów odcinających, zaworów zwrotnych, kurków),
• łączników automatycznych (ciśnieniowych) sterujących pracą pomp.

Zbiorniki hydroforowe, urządzenia kontrolno­‑pomiarowe, zabezpieczające oraz armatura powinny być na bieżąco poddawane zabiegom konserwacyjnym. Użytkownikowi nie wolno dokonywać napraw elementów zbiornika hydroforowego lub ich wymiany bez zgody dozoru technicznego.

O każdej awarii zbiornika hydroforowego należy niezwłocznie powiadomić dozór techniczny. Użytkownikowi hydroforu nie wolno zmieniać ustalonych przez dozór nastawień urządzeń zabezpieczających przed wzrostem ciśnienia, połączeń tych urządzeń ze zbiornikiem, plomb na manometrach i zaworach bezpieczeństwa. Zbiorniki hydroforowe muszą być systematycznie kontrolowane przez dozór techniczny.

Każdy zbiornik hydroforowy powinien być wyposażony w tabliczkę atestową, która zawiera: nazwę wytwórni, numer fabryczny, rok budowy, pojemność, ciśnienie obliczeniowe i temperaturę obliczeniową. Tabliczki nie wolno zamalowywać podczas konserwacji zbiornika. Czynności związane z kontrolą dozoru technicznego, konserwacją, remontami bieżącymi i zapobiegawczymi muszą zostać odnotowane w specjalnym dzienniku.

Prawidłowo pracujący hydrofor powinien być wypełniony przy ciśnieniu p_max w 2/3 wodą i 1/3 sprężonym powietrzem [1]. Napełnienie takie zapewnia prawidłową i równomierną pracę hydroforu. Nadwyżka lub ubytek sprężonego powietrza powoduje zakłócenia w cyklach jego pracy.

Układ hydroforowo­‑pompowy prawidłowo pracujący z innymi urządzeniami w ciągu technologicznym powinien mieć sześć cykli pracy na godzinę przy maksymalnym godzinowym rozbiorze wody w sieci wodociągowej Qhmax. Jeżeli cykle pracy powtarzają się częściej, oznacza to, że w zbiorniku hydroforowym jest za mało sprężonego powietrza, a gdy cykle pracy są rzadsze, to za dużo jest sprężonego powietrza.

Nadwyżkę można usunąć na przykład przez zawór trójdrogowy manometru zamontowanego w strefie powietrznej lub zawór do upuszczania powietrza (rys. 1), a gdy sprężonego powietrza jest za mało, należy je doprowadzić ze sprężarki lub rozdzielacza sprężonego powietrza.

W stanie rozruchu hydroforu wytworzenie poduszki sprężonego powietrza wykonuje się w następujący sposób. Po wyregulowaniu wymaganych nastawień łącznika ciśnieniowego co do załączania i wyłączania pompy montuje się go na hydroforze. Następnie ręcznie włącza się pompę i tłoczy wodę do zbiornika hydroforowego do chwili, gdy jej poziom w zbiorniku będzie widoczny w dolnej części wodowskazu.

Po wyłączeniu pompy, przy zamkniętej zasuwie na rurociągu odpływowym, tłoczy się powietrze, dopóki zainstalowany na zbiorniku hydroforowym manometr nie wskaże ciśnienia minimalnego p_min, przy którym następuje załączenie pompy. Następnie otwiera się zasuwę na rurociągu odpływowym i przestawia pompę na automatyczne sterowanie. Pompa zacznie tłoczyć wodę, a zwierciadło wody w zbiorniku będzie się podnosić i sprężać powietrze w zbiorniku.

Gdy sprężone powietrze w zbiorniku osiągnie ciśnienie p_max, nastąpi wyłączenie pompy. Wskazane jest, żeby poziom wody w zbiorniku, przy którym nastąpiło wyłączenie pompy, w sposób trwały zaznaczyć na wodowskazie, gdyż będzie on służył za wskaźnik ubytku sprężonego powietrza, które okresowo należy uzupełniać.

Gdy w trakcie eksploatacji w hydroforze nastąpi ubytek powietrza, to poziom wody, przy którym następuje wyłączenie pompy, podniesie się do góry powyżej zaznaczonego trwale poziomu na wodowskazie. Przy małych rozbiorach wody, kiedy pompa się wyłączy, należy dotłoczyć powietrze do zbiornika hydroforowego. Powietrze należy tłoczyć do momentu, aż zwierciadło wody w zbiorniku obniży się do poziomu trwale zaznaczonego na wodowskazie, a manometr wskaże ciśnienie p_max, przy którym następuje wyłączenie pompy.

W trakcie eksploatacji układów hydroforowo-pompowych należy również kontrolować manometry – czy wskazują rzeczywiste ciśnienia i łączniki ciśnieniowe, czy się nie rozregulowały. Kontrolę tych urządzeń przeprowadza się po ich zdemontowaniu na specjalnie do tego celu przygotowanych stanowiskach pomiarowych.

Zestaw hydroforowy

Alternatywnym rozwiązaniem dla układu hydroforowo-pompowego jest zestaw hydroforowy, którego budowę przedstawiono na rys. 5 i 6. Zestaw hydroforowy spełnia te same zadania co układ hydroforowo-pompowy, czyli tłoczy wodę do odbiorców w odpowiedniej ilości i pod odpowiednim ciśnieniem. Może być wyposażony w pompy pionowe wielostopniowe (1) (rys. 5) lub poziome monoblokowe (1)(rys. 6). W skład typowego zestawu hydroforowego wchodzi od trzech do sześciu pomp, jedna z nich jest rezerwowa.

Zestaw hydroforowy jest wyposażony w membranowy zbiornik ciśnieniowy (8), który wewnątrz ma membranę kauczukową oddzielającą wodę od sprężonego powietrza. Membranowe zbiorniki ciśnieniowe montowane są na kolektorze tłocznym (4) zestawu hydroforowego – jeden, dwa lub trzy w zależności od wydajności nominalnej stosowanych pomp i całego zestawu. Są to zbiorniki stalowe o pojemności ok. 25 dm³, pracujące w zakresie ciśnień nominalnych 1,0, 1,6 i 2,5 MPa.

Wyposażone są w zawór odcinający (10), spust i zawór do uzupełniania powietrza (9). Na rurociągach tłocznych zamontowane są zawory zwrotne (6) i odcinające (7), a na rurociągach ssawnych tylko zawory odcinające (5). Kolektory tłoczne i ssawne wykonywane są z rur stalowych ocynkowanych, stali nierdzewnej lub PVC.

Wszystkie elementy zestawu hydroforowego są zamontowane na konstrukcji nośnej (13) z kształtowników stalowych zabezpieczonych przed korozją. Konstrukcja nośna zestawu hydroforowego jest zamontowana na podkładkach wibroizolacyjnych (14). W szafie sterowniczej (2) znajduje się sterownik, którego zadaniem jest utrzymanie narzuconego zakresu ciśnień po stronie tłocznej bez względu na wielkość rozbioru wody i ciśnienia po stronie ssawnej.

Zasada działania zestawu hydroforowego jest następująca. W trakcie pracy, gdy w sieci wodociągowej wzrastają rozbiory, spada ciśnienie wody w sieci, i odwrotnie. Wraz ze spadkiem ciśnienia wody w sieci sterownik załącza kolejne pompy w zestawie. Natomiast gdy ciśnienie wody w sieci spada, sterownik wyłącza kolejne pompy.

Pierwsza pompa, którą załącza sterownik w zestawie, ma regulowane obroty i jest sterowana przez przetwornicę częstotliwości. W trakcie pracy, gdy osiągnie maksymalną wydajność, sterownik ją wyłącza i załącza kolejne pompy wraz ze spadkiem ciśnienia wody w sieci. Pompa o regulowanych obrotach pracuje tylko wtedy, gdy w sieci wodociągowej są małe rozbiory wody.

Literatura

1. Elsner Z., Eksploatacja, konserwacja i remonty planowo­‑zapobiegawcze wodociągów wiejskich. Zeszyt 1 i 2, Wydawnictwo SITWM, Warszawa 1981.
2. Kalenik M., Zaopatrzenie w wodę i odprowadzanie ścieków, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2009.
3. Katalog firmy INSTAL COMPACT, 2003.
4. Marczuk M., Projektowanie i eksploatacja urządzeń hydroforowych, Arkady, Warszawa 1973.